材料物理性能复习总结.doc

第一章电学性能1.1 材料的导电性，称为电阻率或比电阻，只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关，是评定材料导电性的基本参数。的倒数称为电导率。一、金属导电理论1、经典自由电子理论在金属晶体中，正离子构成了晶体点阵,并形成一个均匀的电场,价电子是完全自由的,称为自由电子，它们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此又称为“电子气。它们的运动遵循理想气体的运动规律，自由电子之间及它们与正离子之间的相互作用类似于机械碰撞。当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作定向加速运动,从而形成了电流。在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。2、量子自由电子理论金属中正离子形成的电场是均匀的,价电子与离子间没有相互作用，可以在整个金属中自由运动。但金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态,即具有不同的能级。0K时电子所具有最高能态称为费密能EF。不是所有的自由电子都参与导电，只有处于高能态的自由电子才参与导电.另外,电子波在传播的过程中被离子点阵散射，然后相互干涉而形成电阻。马基申定则：,总的电阻包括金属的基本电阻和溶质（杂质）浓度引起的电阻（与温度无关）；从马基申定则可以看出，在高温时金属的电阻基本取决于，而在低温时则决定于残余电阻。3、能带理论能带:由于电子能级间隙很小，所以能级的分布可看成是准连续的，称为能带。图11（a)、（b)、(c）,如果允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠,在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流，具有这种能带结构的材料就是导体。图11(d），若一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的余地,即便是禁带上面的能带完全是空的,在外电场作用下电子也很难跳过禁带，具有这种能带结构的材料是绝缘体.图1-1(e），半导体的能带结构与绝缘体相同，所不同的是它的禁带比较窄，电子跳过禁带不像绝缘体那么困难，满带中的电子受热振动等因素的影响，能被激发跳过禁带而进入上面的空带，在外电场作用下空带中的自由电子产生电流。图11 能带填充情况示意图(a)、（b）、(c）金属；（d）绝缘体；（e）半导体温度对材料导电性的影响：温度升高使离子振动加剧，热振动振幅加大，原子的无序度增加，周期势场的涨落也加大，这些因素都使电子运动的自由程减小，散射几率增加而导致电阻率增大。二、无机非金属导电机理电导：材料在电场作用下产生漏电电流。载流子：对材料来说，只要有电流就意味着有带点粒子的定向运动，这些带点粒子称为载流子。金属材料电导的载流子是自由电子；无机非金属材料电导的载流子可以是电子、电子空穴，或离子、离子空位。载流子是电子或电子空穴的电导称为电子式电导,载流子是离子或离子空位的电导称为离子式电导.本征电导：离子电导源于晶体点阵中基本离子的运动.杂质电导：离子电导是结合力比较弱的离子运动造成的，这些离子主要是杂质。1。2 半导体的电学性能一、本征半导体的电学性能本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体单晶。电学特性：(1) 本征激发成对地产生自由电子和空穴，所以自由电子浓度与空穴浓度相等，都是等于本征载流子的浓度ni;（2) 禁带宽度Eg越大，载流子浓度ni越小;（3） 温度升高时载流子浓度ni增大;(4） 载流子浓度ni与原子密度相比是极小的,所以本征半导体的导电能力很微弱.二、杂质半导体的电学性能1、n型半导体概念：在本征半导体中掺入五价元素的杂质(磷、砷、锑)的半导体。结构:掺入五价元素后，可以使晶体中的自由电子浓度极大地增加，这是因为五价元素的原子有五个价电子,当它顶替晶格中的一个四价元素的原子时，它的四个价电子与周围的四个硅（或锗)原子以共价键相结合后，还余下了一个价电子变成多余的。多子：在n型半导体中，自由电子的浓度大（1。5*1014cm3），故自由电子称为多数载流子，简称多子。少子:n型半导体中的空穴称为少数载流子,简称少子。在电场作用下，n型半导体中的电流主要由多数载流子-自由电子产生，也就是说，它是以电子电导为主。2、p型半导体概念：在本征半导体中掺入三价元素（硼、铝、镓、铟）的杂质半导体。结构：三价元素的原子只有三个价电子，当它顶替晶格中的一个四价元素原子，并与周围的四个硅（或锗）原子组成四个共价键时,必然缺少一个价电子，形成一个空位置。在电场作用下,p型半导体中的电流主要由多数载流子空穴产生，即它是以空穴导电为主.3、杂质半导体的特点（1） 掺杂浓度与原子密度相比虽然很微小,但是却能使载流子浓度极大地提高，因而导电能力也显著地增强，掺杂浓度越大,其导电能力也越强。(2） 掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。当掺入五价元素时，主要靠自由电子导电;当掺入三价元素时，主要靠空穴导电。三、金属和半导体的电阻随温度变化规律不同点阵振动的声子散射：由于点阵振动使原子间距发生变化而偏离理想周期排列，引起禁带宽度的空间起伏，从而使载流子的势能随空间变化，导致载流子的散射.显然，温度越高振动越激烈，对载流子的散射越强，迁移率下降.电离杂质散射：由于随温度升高载流子热运动速度加大，电离杂质的散射作用也就相对减弱，导致迁移率增加。1。3 绝缘体的电学性能绝缘体：一般是指电阻率大于1010m、用来限制电流流动的材料。评价电介质的主要电学性能指标有介电常数、耐电强度、损耗因素、体电阻率和表面电阻率.一、电介质的介电常数当极板间为真空时,平板电容器的电容量C与平板的面积S、板间距离d的关系为,C0、分别为真空下的电容和介电常数，。当极板间存在电介质时的介电常数为静态介电常数.带有电介质的电容C与无电介质(真空)的电容C0之比称为电介质的相对介电常数r.极化强度,不仅随外电场强度E升高而增加，而且取决于材料的相对介电系数。复介电常数,实部;虚部。介电强度:当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质就由介电状态变为导电状态,这一突变现象称为电介质的击穿，发生击穿时的电场强度即为介电强度。二、电介质的极化电介质按其分子中正负电荷的分布状况可以分为中性电介质、偶极电介质和离子型电介质。极化：电介质在电场的作用下，其内部的束缚电荷所发生的弹性唯一现象和偶极子的取向（正端转向电场负极、负端转向电场正极)现象。介质极化的基本形式(1) 电子式极化：在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成感应电偶极矩而使介质极化的现象。电子位移极化的形成过程很快，外电场消失后会立即恢复原状，不消耗任何能量。（2) 离子式极化：在离子晶体中,除离子中的电子要产生位移极化外，处于点阵结点上的正负离子也要在电场作用下发生相对位移而引起极化。（3） 偶极子极化：偶极分子在无外电场时就有一定的电偶极矩p，当有外电场时,由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的趋势，因而呈现宏观电偶极矩，形成极化.（4） 空间电荷极化:在一部分电介质中存在着可移动的离子，在外电场作用下,正离子将向负电极侧移动并积累,而负离子将向正电极侧移动并积累。三、电介质的介电损耗介质损耗:电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量.漏导电流：在外电场的作用下，总有一些带电粒子会发生移动而引起微弱的电流，这种微小电流称为漏导电流。漏导损耗：漏导电流流经介质时使介质发热而消耗了电能,这种因电导而引起的介质损耗称为漏导损耗。极化损耗：除电子、离子弹性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化（例如松弛极化、空间电荷极化等）在极化缓慢建立的过程中都会因客服阻力而引起能量的损耗,这种损耗一般称为极化损耗.1。4 超导电性超导电性:在一定的低温条件下材料电阻突然失去的现象。材料有电阻的状态称为正常态，失去电阻的状态称为超导态，材料由正常状态转变为超导状态的温度称为临界温度.超导体的三个性能指标：完全导电性、完全抗磁性和通量量子化.评价超导体的三个性能指标：临界转变温度Tc、临界磁场强度Hc、临界电流密度Jc。临界磁场强度：破幻超导态的最小磁场.临界电流密度：保持超导态的最大输入电流。超导现象的物理本质：超导现象产生的原因是由于超导体中的电子在超导态时电子之间存在着特殊的吸引力，而不是正常态时电子之间的静电斥力.这种特殊吸引力使电子双双结成电子对，电子对在材料中规则地运动时，如果碰到物理缺陷、化学缺陷或热缺陷，而这种缺陷所给予电子的能量变化又不足以使“电子对”破坏，则此“电子对”将不损耗能量，即在缺陷处电子不发生散射而无障碍地通过，这时电子运动的非对称分布状态将继续下去。第二章 磁学性能1.1 磁性基本量及磁性分类一、磁化现象和磁性的基本量磁化：任何物质处于磁场中，均会使其所占的空间的磁场发生变化，这是由于磁场的作用使物质表现出一定的磁性，这种现象称为磁化.磁化强度M：单位体积的磁矩.磁化率:磁化强度M与磁场强度H之比，表征磁介质属性的物理量。磁导率：磁感应强度B与磁场强度H之比，表征磁介质磁性的物理量.磁感应强度B：通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数称为磁感应强度。二、物质磁性的分类图2-1 五类磁体的磁化曲线示意图（1) 抗磁体：磁化率为很小的负数，它们在磁场中受微弱斥力，金属约有一半简单金属是抗磁体.（2） 顺磁体：磁化率为正值，它们在磁场中受微弱吸力.（3） 铁磁体：在较弱的磁场作用下,就能产生很大的磁化强度,磁化率是很大的正数，且M或B与外磁场强度H呈非线性关系变化.铁磁体在温度高于某临近温度后变成顺磁体，此临近温度称为居里温度或居里点。（4) 亚铁磁体:类似于铁磁体，但磁化率没有铁磁体那么大。（5） 反铁磁体:磁化率是很小的正数，在温度低于某温度时，它的磁化率随温度升高而增大，高于这个温度,其行为像顺磁体。三、磁化曲线和磁滞回线饱和磁化强度Ms：随磁化场的增加，磁感应强度B开始时增加较缓慢，然后迅速地增加，再缓慢地增加，最后当磁场强度达到Hs时,磁化至饱和,此时的磁化强度称为饱和磁化强度,对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度Bs图2-2 铁的磁滞回线磁滞:铁磁材料从退磁状态被磁化至饱和的技术磁化过程中存在着不可逆过程，即从饱和磁化状态降低磁场H时,磁感应强度B将不沿着原磁化曲线下降而是沿bc缓慢下降，这种现象称为“磁滞.剩余磁感应强度：当外磁场降为0时，得到不为零的磁感应强度Br,称为剩余磁感应强度。矫顽力：要将B减小到0，必须加一反向磁场-Hc，该反向磁场值称为矫顽力。bc段：退磁曲线；bcdefgb：磁滞回线软磁材料:矫顽力Hc很小而磁化率很大的材料。硬磁材料：Hc大而小的材料.矩磁材料：某些磁滞回线趋于矩形的材料。2。2 抗磁性和顺磁性一、原子本征磁矩原子磁矩包括电子轨道磁矩、电子的自旋磁矩和原子核磁矩三部分。原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩，即本征磁矩。二、抗磁性在磁场中电子绕中心核的运动只不过是叠加了一个电子进动(拉莫尔进动），如果绕核的平均电子流起初为零，施加磁场后的拉莫尔进动会产生一个不为零的绕核电子流，这个电流等效于一个方向与外加场相反的磁矩，因而产生了抗磁性.物质的抗磁性是由外加磁场作用下电子绕核运动所感应的附加磁矩造成的。三、顺磁性材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。产生顺磁性的条件:原子的固有磁矩不为零具有奇数个电子的原子或点阵缺陷;内壳层未被填满的原子或离子.四、金属的抗磁性和顺磁性金属的磁性要从以下四个方面考虑：正离子的顺磁性、正离子的抗磁性、自由电子的顺磁性和自由电子的抗磁性。正离子的抗磁性来源于其电子的轨道运动，正离子的顺磁性来源于原子的固有磁矩,自由电子的顺磁性来源于电子的自旋磁矩，电子运动都产生抗磁磁矩。2。3 铁磁性的物理本质自发磁化：在铁磁物质内部存在着很强的与外磁场无关的“分子场”，在这种“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发的磁化至饱和。铁磁性产生的原因当原子相互接近形成分子时,电子云要相互重叠,电子要相互交换位置,其本质是静电作用力迫使相邻原子的电子自旋磁矩有序排列。这种交换作用产生的附加能量称为交换能Eex（）。当A为正值时，=0时,Eex最大，相邻自旋磁矩同向平行排列，即自发磁化,这就是铁磁性产生的原因。铁磁性产生的条件：原子内部要有未填满的电子壳层;a/r（原子核之间的距离/参加交换作用的电子距核的距离）大于3使交换积分A为正。前者指的是原子本征磁矩不为零，后者指的是要有一定的晶体点阵结构。2.4 相关概念磁晶各向异性：在单晶体的不同晶向上，磁性能是不同的.磁晶各向异性能：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能.磁致伸缩:铁磁体在磁场中被磁化时,其形状和尺寸都会发生变化。磁致伸缩产生的原因:磁致伸缩是原子磁矩有序排列时电子间的相互作用导致原子间距调整而引起的,晶体点阵结构不同，磁化时原子间距的变化情况也不同,因此呈现不同的磁滞伸缩性能.铁磁体在磁场中的能量为静磁能,它包括铁磁体与外磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁场中的能量.后一种静磁能常称为退磁能.磁畴：在居里点以下,铁磁体自发磁化成若干个小区域，这些自发磁化至饱和的小区域称磁畴。相邻磁畴的界限称为畴壁。技术磁化：在外磁场作用下铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和状态的内部变化过程。技术磁化是通过两种方式进行的,一种是磁畴壁的迁移，另一种是磁畴的旋转。磁心在不可逆交变磁化过程中所消耗的能量,统称为铁心损耗，简称铁损。它由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分组成。磁后效：磁化强度（或磁感应强度）跟不上磁场变化的延迟现象.课后习题在磁场作用下，金属离子都产生一定的抗磁性,为何只有部分金属是抗磁金属?答:抗磁性是电子轨道运动感应的，物质的抗磁性普遍存在。但原子往往还存在着轨道磁矩和自旋磁矩所组成的顺磁磁矩。当原子系统的总磁矩等于零时，抗磁性就容易表现出来,如果电子壳层未被填满，即原子系统具有总磁矩时，只有那些抗磁性大于顺磁性的物质才成为抗磁体。第三章 光学性能光通过固体时的现象：透过、吸收、反射和散射。3。1 光的反射和折射影响折射率n的因素(1） 构成材料元素的离子半径：当介质材料的离子半径增大时，其介电常数增大,折射率n也增大。（2) 材料的结构、晶型和非晶态：对于非晶态和立方晶体这些各项同性的材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而改变,材料只有一个折射率，称为均质介质；除立方晶体以外的其他晶型都是非均质介质，光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线，即双折射。(3) 材料所受的内应力：有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n值大，平行于受拉主应力方向的n值小。（4) 同质异构体：在同质异构材料中，高温时存在的晶型折射率较低,低温时的晶型折射率较高。3。2 材料对光的吸收和色散朗伯特定律：，它表明，在介质中光强随传播距离呈指数衰减，吸收系数越大，材料越厚，光就被吸收得越多，因而透过后的光强度就越小.光的色散:材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质.材料的色散规律：(1） 对于同一种材料，波长越短则折射率越大；（2） 波长越短则色散率越大；(3） 对于不同材料，在同一波长下，折射率越大者色散率越大；(4） 不同材料的色散曲线间没有简单的数量关系.3。3介质的光散射光的散射:光在通过气体、液体、固体等介质时，遇到烟尘、微粒、悬浮液滴或者机构成分不均匀的微小区域，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来.光强与传播距离的关系:，a和s分别为吸收系数和散射系数.一、弹性散射弹性散射：散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射。1、廷德尔散射当散射中心的尺度a0远大于光波的波长时，0，散射光强与入射光波长无关.2、米氏散射当散射中心尺度a0与入射光波长相当时,在04之间，具体数值与散射中心尺寸有关。3、瑞利散射当散射中心的线度a0远小于入射光的波长时，=4，即散射强度与波长的4次方成反比（）为什么晴天早晨的太阳呈鲜红色而中午却变成白色?答：在可见光的短波侧=400nm处，紫光的散射强度要比长波侧=720nm处红光的散射强度大约大10倍，由于大气及尘埃对光谱上蓝紫色的散射比红橙色强,一天内不同时刻阳光到达观察者所通过的大气层厚度不同,阳光透过大气层越厚，蓝紫色成分损失越多，因此到达观察者的阳光中蓝紫色的比例就越少。三、非弹性散射非弹性散射：频率发生改变的光散射时入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果。3。4 材料的光发射材料的光发射是材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能，即发射光子的过程。光致发光：通过光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致发光。阴极射线发光：利用高能量的电子来轰击材料,通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程.电致发光：通过对绝缘发光体施加强电场导致发光,或者从外电路将电子（空穴）注入到半导体的导带（价带）,导致载流子复合而发光。发射光谱：在一定的激发条件下发射光强按波长的分布.激发光谱：材料发射某一种特定谱线(或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线.发光寿命：发光体在激发停止之后持续发光的时间称为发光寿命(荧光寿命或余辉时间)。发光效率：通常有三种表示法,即量子效率、功率效率和光度效率。量子效率q是指发射光子数nout与吸收光子数（或输入的电子数)nin之比;功率效率p表示发光功率Pout与吸收光的功率（或输入的电功率)Pin之比；光度效率l定义为发射的光通量L与输入的光功率（或电功率）Pin之比。3。5 材料的受激辐射和激光激光：在外来光子的激发下诱发电子能态的转变，从而发射出与外来光子的频率、相位、传输方向以及偏振态均相同的相干光波.光的发射和吸收可经由三种基本过程：受激吸收、受激辐射和自发辐射.受激吸收就是固体吸收一个光子的过程，光子能量,固体中粒子的能级由E1跃迁到E2.自发辐射就是固体发射一个光子的过程，光子能量，固体中粒子的能级由E2跃迁到E1。受激辐射的过程是:当一个能量满足的光子趋近高能级E2的原子时，有可能诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子，此受激辐射的光子与入射光子具有相同的频率、方向和偏振状态.因此，受激辐射是一种共振或相干过程，一个入射光子被放大为两个光子。激活介质:实现粒子数反转的介质具有对光的放大作用，它是能产生光的受激辐射并起放大作用的物质体系。第四章 热学性能4。1 热容与热焓比热容:单位质量的物体温度升高1K所需的热量。热容：质量为m的物体温度升高1K所需的热量。在加热与冷却过程中外界压力一定不变，称为比定压热容；在加热与冷却过程中物体体积保持不变，则为比定容热容。4.2 热膨胀热膨胀：物体在加热或冷却时的热胀冷缩现象。热膨胀的物理本质温度升高，原子振幅增加,原子的位移和原子间相互作用力呈非线性和非对称的关系,导致原子间距增大，因此产生热膨胀。图443、444，自己看书，目测不会考！线膨胀系数:单位长度的材料在某一温度区间,温度每升高1K的平均伸长量.体膨胀系数：单位体积的材料在某一温度区间，温度每升高1K的体积变化量.4.3 热传导热传导：由于材料相邻部分间的温差而发生的能量迁移.单位时间内通过单位截面上的热流密度q正比于该棒的温度梯度，即。比例系数称为热导率.热扩散率，cp为比定压热容。热阻率，合金固溶体的热阻分为基本热阻（本征热阻)(T)和残余热阻0两部分，=0+（T)。热传导的物理机制(1） 电子导热和声子导热：对纯金属而言,电子导热时主要机制；在合金中声子导热的作用要增强；在半金属或半导体内声子导热常常与电子导热相仿;在绝缘体内几乎只存在声子导热一种形式.（2) 光子导热：通常可以不考虑光子导热,因为只有在极高温下才可能有光子导热存在。4.4 热电性在金属导线组成的回路中，存在着温差或通以电流时，会产生热能与电能相互转换的效应,称为金属的热电性.金属的热电效应1、塞贝克效应两种金属形成闭合回路时,当两个接触点处于不同温度时，回路中将出现电流,称为热电流，产生这种电流的电动势称为热电势。这种由于温差而产生的热点现象称为塞贝克效应。2、珀尔帖效应电流通过两种金属A、B的接点时，除了因电流流经电路而产生的焦耳热外，还会在接点处额外产生吸热或放热效应。单位时间内两种金属接点吸收（或放出）的热量QP称为珀尔帖热。3、汤姆逊效应当电流通过一个有温差的金属导体时，在整个导体上除产生焦耳热外还会产生放热或吸热现象。单位时间内单位长度导体所吸收(或放出）的热量QT，称为汤姆逊热.综上所述（非重点）：在有不同接点温度T1和T2的金属导体AB中,上述三种效应同时出现。倘若回路闭合，热电势将引起热电流.当热电流通过接点时,其中一个接点放出珀尔帖热,另一个接点吸收珀尔帖热。由于存在温度降落,导体A和B中又有热电流通过，故也将出现汤姆逊效应,即在每一条导体的全长上放出或吸收汤姆逊热.4.5 热稳定性热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力。一、热应力由于材料热胀冷缩引起的内应力称为热应力。这种应力可导致材料的断裂破坏或者发生不希望的塑性变形。热应力的三个来源（1） 因热胀冷缩受到限制而产生的热应力；(2) 多相复合材料因各相膨胀系数不同而产生的热应力；(3） 因温度梯度而产生的热应力材料在快速加热或冷却时，外表的温度变化比内部块，外表的尺寸变化比内部大，因而临近体积单元的自由膨胀或自由压缩受到限制，产生热应力。二、提高抗热冲击断裂性能的措施（1） 提高材料强度,减小弹性模量E，使/E提高：这意味着提高材料的柔韧性能吸收较多的弹性应变能而不致开裂，因而提高了热稳定性。(2） 提高材料的热导率，使R提高：大的材料传递热量快，使材料内温差较快地得到缓解、平衡，因而降低了短时期热应力的聚集.（3） 减小材料的热膨胀系数l：l小的材料,在同样的温差下,产生的热应力小。（4） 减小表面热传递系数h.（5） 减小产品的有效厚度rm- 13 -